DE2938232C2

DE2938232C2 -

Info

Publication number: DE2938232C2
Application number: DE2938232A
Authority: DE
Inventors: Georges Le Pecq Fr Cohen; Alexandre Garches Fr Rojey
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1987-10-29
Also published as: CA1136875A; US4299093A; SE437075B; DE2938232A1; GB2037413A; IT7926096A0; FR2437588B1; NL185867C; ES484533A1; IT1163721B; SE7907981L; FR2437588A1; GB2037413B; BE878952A; JPS5546400A; JPS6132587B2; NL185867B; NL7907196A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vervollkommnung der Absorption und des Wärmetausches in einem Zyklus, der die Absorption eines lösbaren Stoffes in einem Lösungsmittel und die Austreibung des vorgenannten lösbaren Stoffes aus der erhaltenen Lösung beinhaltet, der in Wärmepumpen und Kältemaschinen auf Absorptionsbasis des Types brauchbar ist,
der eine Absorption durch Kontakt zwischen einer an lösbarem Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) armen Lösungsmittelphase und einem dampfförmigen Arbeitsmittel mit der Abgabe nicht absorbierten Arbeitsmitteldampfes beinhaltet,
der lösbaren Stoff einschließt, der bei der Absorption übriggeblieben ist, und mit der Rückgewinnung von Wärme aus dem vorgenannten nicht absorbierten Arbeitsmitteldampf, wobei diese Rückgewinnung von einer wenigstens teilweisen Kondensation des vorgenannten Arbeitsmitteldampfes im Verlauf seiner Abkühlung begleitet wird.

Die DE-OS 26 35 557 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme von einer Temperatur A auf der Grundlage von innerhalb eines Temperaturbereichs B zur Verfügung gestellter Wärme, wobei die Temperatur A oberhalb des Temperaturbereichs B liegt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) man eine gasförmige Fraktion eines Arbeitsfluids in Kontakt mit einer flüssigen Phase bringt, die als Lösungsmittel benützt wird, um mindestens einen Teil der gasförmigen Phase in der flüssigen Phase zu lösen, indem Wärme der Temperatur A abgegeben wird,
b) die gemäß Schritt a erhaltene Lösung wird mit einem Strom eines Transportgases in Kontakt gebracht, dergestalt, um mindestens zum Teil die genannte gasförmige Arbeits-Fluid-Fraktion zu desorbieren und um eine gasförmige Mischung der Arbeits-Fluid-Fraktion und des Transportgases zu erhalten, wobei die Desorptionswärme dem Bereich der Temperatur B entnommen wird,
c) die so erhaltene gasförmige Mischung wird einer Fraktionierung durch mindestens teilweise Verflüssigung, Phasentrennung und Verdampfung unterworfen, um mindestens zwei unterschiedliche, gasförmige Fraktionen G und H zu erhalten, wobei die Verdampfung durch Entnahme der Wärme aus dem Temperaturbereich B bewerkstelligt wird und
d) die gasförmige Fraktion G wird zur Stufe a als gasförmige Arbeitsfluid-Fraktion und die gasförmige Fraktion H wird zur Stufe b als Transportgasstrom zurückgeschickt.

Die Literaturstelle "Gesundheits-Ingenieur", 76. Jahrgang, 1955, Heft 9/10, Seite 129 bis 137, beschreibt Absorptionsanlagen als Wärmepumpen und Wärmetransformationsanlagen.

Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sind nur in einem begrenzten Temperaturbereich anwendbar und haben einen unzureichenden thermodynamischen Wirkungsgrad.

Dem gegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu liefern, das in einem weiten Temperaturbereich anwendbar ist, das einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist und das mit geringen Wärmeaustauscheroberflächen auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß

a) nur ein Teil L₁ der an lösbarem Stoff armen Lösungsmittelphase, die von der Austreibungszone kommt, einer Kontaktzone der Absorption zugeführt wird, wobei
b) ein anderer Teil L₂ dieser Lösungsmittelphase dem nicht absorbierten Arbeitsmitteldampf des vorgenannten Kontakts zugeführt wird, und
c) in Mischung mit diesem letzteren der Abkühlung unterworfen wird, die die vorgenannte wenigstens teilweise Kondensation des vorgenannten nicht absorbierten Arbeitsmitteldampfes hervorruft.

Besondere Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, daß der lösbare Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) Ammoniak ist und das Lösungsmittel Wasser,
daß der lösbare Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) ein Kohlenwasserstoff ist und das Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel,
daß der lösbare Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) ein chlorierter und/oder fluorierter Kohlenwasserstoff ist und das Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel,
daß die Fraktion der Lösungsmittelphase (L₂) 5 bis 90% der gesamten Absorptionphase darstellt, wobei der Rest aus der Lösungsmittelphase (L₁) besteht, daß der Druck in der Absorptionszone zwischen einschließlich 1 und 50 bar beträgt und daß die Wärme, die in der Absorptionszone erzeugt wurde, in einem Temperaturintervall zwischen 20 und 150°C geliefert wird.

Die Erfindung betrifft somit eine Vervollkommnung von Wärmepumpen und Kältemaschinen auf Absorptionsbasis. Man weiß, daß solche Einrichtungen in ihrem Grundprinzip dadurch funktionieren, daß sie Wärme einer äußeren Flüssigkeit A liefern, indem sie Wärme einer äußeren Flüsigkeit B entnehmen und Wärme mit einer äußeren Flüssigkeit C austauschen. Mann kann zwei Fälle unterscheiden. Im ersten Fall (im folgenden Fall 1 genannt) ist das thermische Niveau der Flüssigkeit B höher als das thermische Niveau der Flüssigkeit A, und das System entnimmt Wärme der Flüssigkeit C, die sich auf einem thermischen Niveau befindet, das niedriger ist als die thermischen Niveaus der Flüssigkeiten A und B. Wenn sich die Flüssigkeit C auf einem thermischen Niveau befindet, das höher ist als die Umgebungstemperatur, bezeichnet man gewöhnlich die Vorrichtung, die bei einem solchen Zyklus arbeitet, als Wärmepumpe auf Absorptionsbasis. In diesem Fall führt man der Flüssigkeit A eine Wärmemenge Q₂ zu, die größer ist als die Wärmemenge Q₁, die von der Flüssigkeit B abgegeben worden ist, indem eine Wärmemenge Q₂ - KQ₁ der Flüssigkeit C entnommen wird. Die Flüssigkeit C kann sich auf einem thermischen Niveau befinden, das niedriger als die Umgebungstemperatur ist, und in diesem Falle arbeitet die Vorrichtung als Kältemaschine. In dem zweiten Fall (im folgenden Fall 2 genannt) ist das thermische Niveau der Flüssigkeit B niedriger als das thermische Niveau der Flüssigkeit A, und das System gibt an die Flüssigkeit C Wärme ab, die sich auf einem thermischen Niveau befindet, das niedriger ist als die thermischen Niveaus der Flüssigkeiten A und B: das ist der Fall beim Thermotransformator, der Gegenstand der FR-PS 23 21 098, die der DE-OS 26 35 557 entspricht, ist. In diesem Fall führt man der Flüssigkeit A eine Wärmemenge Q₂ zu, die niedriger als die Wärmemenge Q₁ ist, die von der Flüssigkeit B abgegeben wurde, indem eine Wärmemenge Q₂ - Q₁ der Flüssigkeit C zugeführt wird.

Im folgenden wird man als Wärmepumpe auf Absorptionsbasis jede Vorrichtung bezeichnen, die lediglich Wärme oberhalb der Umgebungstemperatur entnimmt und die der allgemeinen, vorgegangenen Definition entspricht, sei es im Fall 1 oder im Fall 2.

In der allgemeinen vorhergegangenen Beschreibung und in der Folge des Textes bezeichnet man mit "Temperatur" oder "thermischem Niveau" im allgemeinen Fall mehr oder weniger große Temperaturintervalle, die auf eine Temperatur hinauslaufen können, die praktisch konstant ist im Falle der Zustandsänderung der äußeren Flüssigkeit, mit der sich der thermische Austausch vollzieht, wobei ein erstes "thermisches Niveau" als höher gegenüber einem zweiten "thermischen Niveau" betrachtet wird, wenn das Temperaturintervall, das es bezeichnet, wenigstens zum Teil über dem Temperaturintervall des zweiten "thermischen Niveaus" liegt.

In den beiden Fällen umfaßt der Zyklus wenigstens eine Absorptionssstufe, in deren Verelauf eine gasförmige Phase einer Arbeitsflüssigkeit, die die Rolle des lösbaren Stoffes spielt, in Kontakt mit einer flüssigen Phase gebracht wird, die als Lösungsmittel benutzt wird, und eine Desorptionsstufe (Austreibungsstufe), die eine flüssige Phase zurückgibt, die an lösbarem Stoff verarmt ist, und eine gasförmige Phase, die an lösbarem Stoff reich ist.

Die Absorptionsstufe wird gewöhnlich in Form einer Kontaktstufe verwirklicht, indem man die flüssige Lösungsphase (L) und die gasförmige Phase des lösbaren Stoffes (V) in einem Gefäß ankommen läßt, in dem man eine Lösung (S) erhält und in dem man die Absorptionswärme durch den indirekten Austauschkontakt direkt im Absorber gemäß der Vorrichtung, die in der Fig. 1A dargestellt ist, entnimmt.

Es ist gleichermaßen bekannt, die Absorptionsstufe durch einen Kontakt im Gegenstrom zwischen der flüssigen Phase und der Dampfphase zu verwirklichen. Diese Vorrichtung ist insbesondere in der FR-PS 23 21 098 beschrieben.

In diesem Fall ist es möglich, gemäß der Vorrichtung zu arbeiten, die in der Fig. 1B dargestellt ist. Der Gegenstromkontakt wird unter adiabatischen Bedingungen bewirkt, z. B. in einer Säule, und die Lieferung der Wärme nach außen ist wenigstens zum Teil durch Kondensation des Dampfes, der oben erhalten wird, außerhalb der Kolonne gesichert. In der Kontaktkolonne ruft die Absorptionswärme die Verdampfung eines Teiles der Lösungsphase hervor, die weniger flüchtig ist, und am oberen Ende der Kolonne fängt man eine Dampffraktion auf, die mit Dampf des Lösungsmittels angereichert ist, der kondensiert wird, indem er Wärme in dem Austauscher (W) an die Flüssigkeit A abgibt.

Unter adiabatischen Bedingungen versteht man Bedingungen, bei denen dank einer Begrenzung oder sogar einer Unterdrückung der Austausche nach außen die abgegebene Wärme sich wenigstens zum Teil in den entlassenen Flüssigkeiten derjenigen Zone, in der die vorgenannten Bedingungen herrschen, wiederfindet.

Wenn die flüssige Lösungsphase rein in die Kolonne eintritt, ist es somit möglich, am oberen Ende der Kolonne eine Dampffraktion aufzufangen, die arm an lösbarem Stoff und reich an Lösungsmittel ist und somit am oberen Ende der Kolonne eine Temperatur erreicht wird, die höher ist als am Boden und die höher ist als diejenige, welche man in nur einer Kontaktstufe erhalten würde.

In jedem Falle beinhaltet diese Vorrichtung auch Nachteile. Tatsächlich hängt das Kondensationsintervall des Dampfes am oberen Ende vom Verhältnis des gelösten Stoffes ab, den dieser enthält, und infolgedessen, um zu verhindern, daß die Endtemperatur der Kondensation nicht sehr viel geringer als die Anfangstemperatur der Kondensation ist, ist es notwendig, nur wenig gelösten Stoff in dem vorgenannten Dampf oben zuzulassen und folglich die Lösungsphase ganz besonders im Verlauf der Desorptionsstufe (Austreibungsstufe) zu reinigen.

Dieses Problem wird besonders deutlich, wenn man die Absorption von Ammoniak in wäßriger Phase betrachtet und indem man sich in den Fall versetzt, wo der Dampf praktisch im Gleichgewicht mit der Lösungsphase (L) austritt, die in die Kolonne eintritt, also in den Fall, wo der Durchfluß an Dampf gering im Vergleich zum Durchfluß an Flüssigkeit ist. Wenn der Druck 10,33 bar beträgt, bewirkt man eine Veränderung der Zusammensetzung der Lösungsmittelphase (l), und man beobachtet folgende Resultate:

Man stellt fest, daß das Kondensationsintervall sehr rasch zunimmt. Um das zu verhindern, ist es notwendig, ganz besonders die Lösungsphase im Verlauf der Austreibungsstufe zu reinigen und zum anderen den Durchfluß der Dampffraktion, die in die Kolonne eintritt, zu begrenzen. Diese Randbedingungen begrenzen den Wirkungsgrad.

Es ist gefunden worden, und das ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung, daß es möglich ist, nach einer Vorrichtung zu arbeiten, die es erlaubt, den Vorzug einer erhöhten Anfangstemperatur der Kondensation zu erhalten und dabei das Kondensationsintervall zu verkleinern und zu ermöglichen, somit bei den auferlegten Temperaturbedingungen einen erhöhten Wirkungsgrad zu erhalten. Diese Verbesserung des Wirkungsgrades betrifft entweder das Verhältnis der Wärmemenge, die der Flüssigkeit C entnommen ist, zu der Wärmemenge, die der Flüssigkeit B entnommen ist (Fall 1) oder das Verhältnis der Wärmemenge, die der Flüssigkeit A zugeführt wurde, zu der Wärmemenge, die der Flüssigkeit B entnommen wurde (Fall 2).

Die Vervollkommnung gemäß der Erfindung in der Absorptionsstufe der Wärmepumpen und Kältemaschinen auf Absorptionsbasis, die durch die Fig. 1C dargestellt wird, umfaßt die Zufuhr eines Teiles (L₁) der Lösungsphase (L) in die Absorptionszone, wobei der andere Teil (L₂) der Dampfphase zugeordnet wird, die der Absorptionsstufe entnommen wird und die an lösbarem Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) verarmt ist, wobei ein merklicher Anteil des Lösungsmitteldampfes mit eingeschlossen wird, bevor diese Dampfphase in den Austauscher (W) gelangt oder während sie dorthin geht, wo sie Wärme (im wesentlichen Kondensationswärme) an eine äußere Flüssigkeit A abgibt. Man erhält so eine verarmte Lösung (S₁) und eine Lösung (S₂), die durch die Kondensation des Dampfes erhalten wird.

Beispielsweise ist der Kontakt zwischen den Phasen in der Absorptionszone als Gegenstrom ausgeführt aufgrund der Vorzüge, die weiter oben angegeben sind.

Wenn man sich in die vorhin betrachteten Verhältnisse versetzt für eine Mischung Wasser-Ammoniak bei einem Druck von 10,33 bar einer Lösungsphase, die 10% Molenbruch Ammoniak enthält, und einer Dampfphase, die 51,2% Molenbruch Ammoniak enthält, verhält sich, indem man das Molverhältnis L₂/V _S variiert, wobei V _S den molaren Durchfluß an Dampf am Ausgang bezeichnet und L₂ den molaren Durchfluß der Lösungsphase, die mit dem Dampf gemischt ist, der Gehalt an Ammoniak des Gemisches und die Temperatur am Ende der Kondensation in den folgenden Verhältnissen:

Im Gegensatz dazu ist es, um einen erhöhten Durchfluß an Ammoniak in der Absorptionszone zulassen zu können und um die größtmögliche Wärmemenge erzeugen zu können, wichtig, nicht den Wert des Verhältnisses L₂/V _S zu überschreiten, der erforderlich ist, um eine gegebene Endtemperatur der Kondensation zu erhalten.

Die Abänderung der Absorptionsstufe und des Wärmeaustausches, der oben beschrieben wurde, verändert nicht die anderen Verfahrensstufen, wie sie nach bekanntem Stand der Technik beschrieben sind, insbesondere die Desorptionsstufen und den Wärmeaustausch mit den Flüssigkeiten B und C. Insbesondere können die beiden Lösungen (S₁) und (S₂) in eine Austreibungszone übergeleitet werden, in der die Lösungsphase (L) und die Dampfphase (V) gemäß den bekannten Techniken regeneriert werden, indem Wärme mit den Flüssigkeiten B und C ausgetauscht wird.

Die modifizierte Absorptionsstufe, die oben beschrieben wurde, läßt sich in jedes Wärmepumpen-Schema und Kältemaschinen-Schema auf Absorptionsbasis einfügen.

Die wesentlichen Schritte des Verfahrens sind also bevorzugterweise die folgenden:

a) man verwirklicht in einer Absorptionszone einen Gegenstromkontakt zwischen einer gasförmigen Phase, die den lösbaren Stoff enthält (dampfförmiges Arbeitsmittel), und einer ersten flüssigen Fraktion (L₁) der Lösungsphase, indem man eine Lösung (S₁) erhält, die an lösbarem Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) angereichert ist, und eine gasförmige Phase, die an lösbarem Stoff verarmt ist,
b) man entnimmt an wenigstens einer Stelle der vorgenannten Kontaktzone die gasförmige Phase, die die erste flüssige Fraktion kontaktiert hat,
c) man mischt die vorgenannte gasförmige Phase mit einer zweiten flüssigen Fraktion (L₂) der Lösungsphase,
d) man kühlt das Gemisch, das aus der Stufe (c) stammt, durch Wärmeaustausch mit einer äußeren Flüssigkeit A ab, indem man wenigstens teilweise das vorgenannte Gemisch kondensieren läßt durch Zufuhr von Wärme der Flüssigkeit A und indem man eine Lösung (S₂) erhält,
e) man trennt eine flüssige Lösungsphase und eine gasförmige Phase des lösbaren Stoffes durch Austreibung, indem man von den Lösungen (S₁) und (S₂) ausgeht, die im Verlaufe der Stufen (a) und (d) erhalten wurden, wobei Wärme einer äußeren Flüssigkeit (B) entnommen wird und Wärme mit einer äußeren Flüssigkeit (C) ausgetauscht wird, und
f) man führt die flüssige Lösungsphase und die gasförmige Phase des lösbaren Stoffes der Verfahrensstufe (a) wieder zu.

Die Verfahrensstufe (e) kann nach verschiedenen bekannten Techniken verwirklicht sein. Man gibt weiter unten zwei besondere Ausführungsformen der Austreibung an, die sich auf die beiden weiter oben genannten Fälle beziehen.

Im Fall 1 wird die Lösung, die am Ausgang der Absorptionszone erhalten wird, in einer Austreibungszone bei einem Druck, der mindestens gleich dem Druck der Absorptionszone ist, unter Zufuhr von Wärme, die von der äußeren Flüssigkeit B in einem Temperaturintervall, das über dem Temperaturintervall, in dem die Wärme in der Absorptionszone erzeugt wird, ausgetrieben, wobei man eine Lösung erhält, die verarmt ist und die der Absorptionszone wieder zugeleitet wird, sowie eine Dampffraktion, die wenigstens teilweise kondensiert, indem Wärme der äußeren Flüssigkeit A zugeführt wird und danach wenigstens teilweise bei einem Druck wieder verdampft, der dem Druck der Absorptionszone benachbart ist, indem Wärme aus der äußeren Flüssigkeit C wiedergewonnen wird, und der Absorptionzone wieder zugeleitet wird.

Im Fall 2 wird die Lösung, die am Ausgang der Absorptionszone erhalten wurde, in einer Austreibungszone bei einem Druck, der dem Druck der Absorptionszone höchstens gleich ist, ausgetrieben, indem man Wärme der äußeren Flüssigkeit B in einem Temperaturintervall entnimmt, das unter dem Temperaturintervall liegt, bei dem die Wärme in der Absorptionszone erzeugt wird, und indem man eine verarmte Lösung erhält, die in die Absorptionszone zurückgeführt wird, sowie eine Dampffraktion, die wenigstens teilweise kondensiert, wobei Wärme der äußeren Kühlflüssigkeit C abgegeben wird, und danach wenigstens teilweise bei einem Druck, der dem Druck der Absorptionszone benachbart ist, wieder verdampft, wobei Wärme von der äußeren Flüssigkeit B zurückgewonnen wird, und in die Absorptionszone zurückgeführt wird.

Es ist ganz offensichtlich, daß jeder dieser Wärmeaustausche, die früher definiert wurden, in einer oder mehreren Stufen ausgeführt werden können, wobei die Flüssigkeiten A, B und C jeweils entweder eine einheitliche Flüssigkeit oder verschiedene Flüssigkeiten bezeichnen, die Wärme in einem Temperaturintervall austauschen.

Die im Verlauf der Verfahrensetappe (d) erhaltene Lösung kann direkt der Austreibungszone zugeführt werden oder an einer Stelle der Absorptionszone, um eine weitere Absorption von Ammoniak zu verwirklichen.

Die Erfindung bezieht sich auf den Fall, wo der lösbare Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) Ammoniak ist und das Lösungsmittel Wasser. In jedem Falle können andere lösbare Stoffe und andere Lösungsmittel rein oder in Mischung verwendet werden.

Das Lösungsmittel kann gleichermaßen ein organisches Lösungsmittel sein wie Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon, Tributylphosphat, Äthylenglycol, Diäthylenglycol, Benzoylalkohol oder Anilin oder auch ein Kohlenwasserstoff, der z. B. aus den Paraffinen-Kohlenwasserstoffen gewählt wurde.

Der lösbare Stoff, dessen Siedepunkt oder Sublimationspunkt niedriger als derjenige des Lösungsmittels ist, kann außer Ammoniak sein ein Kohlenwasserstoff wie Propan, Butan, Pentan oder ein chlorierter und/oder fluorierter Kohlenwasserstoff wie Difluorchlormethan, Fluordichlormethan oder Difluordichlormethan unter der Bedingung, daß er in dem Lösungsmittel löslich ist, wobei sich die Lösung unter Wärmeabgabe abspielt.

Im allgemeinen kann jedes lösbare Stoff-Lösungsmittel-Paar unter der Bedingung verwendet werden, daß die Stoffe chemisch stabil unter den Temperatur- und Druckbedingungen sind, bei denen man arbeitet; daß der lösbare Stoff und das Lösungsmittel rein oder in Mischung unter den Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen man arbeitet, verdampft werden können, wobei die Flüchtigkeit des lösbaren Stoffes in jedem Fall über derjenigen des Lösungsmittels liegt und sich der lösbare Stoff in dem Lösungsmittel unter Wärmeerzeugung löst.

Der Druck der Absorptionszone wird vorzugsweise zwischen einschließlich 1 und 50 bar liegen. Die Wärme wird gewöhnlich in der Absorptionszone in einem Temperaturintervall zwischen einschließlich 20 und 150°C erzeugt.

Die Lösungsphase (L₂) stellt bevorzugterweise 5 bis 90% der gesamten Lösungsphase (L) und insbesondere 15 bis 60% der Lösungsphase (L) dar, wovon der Rest die Phase (L₁) beinhaltet.

In diesen beiden verschiedenen Fällen sind die Stufen der Absorption und der Austreibung vorzugsweise in den Säulen des Types untergebracht, die am häufigsten in der chemischen Verfahrenstechnik benutzt werden, um diese Art von Operation durchzuführen, aber auch andere Vorrichtungen, insbesondere Vorrichtungen, die eine mechanische Bewegung beinhalten, können benutzt werden.

Die Mischung, die zwischen der Gasphase, die am Ausgang der Absorptionszone entnommen wird, und der flüssige Phase, die der Lösungsphase entnommen wird, erzielt wird, kann entweder durch eine einfache Mischung in Serie oder durch eine Passage durch einen statischen Mischer oder in einem mechanisch bewegten Kolben oder auch in einer Kontaktzone des Types mit Scheiben oder Füllkörperfüllung verwirklicht werden. Die Mischung der flüssigen und dampfförmigen Fraktionen und die Zufuhr an Wärme durch wenigstens teilweise Kondensation des erhaltenen Flüssigkeit-Dampf-Gemisches kann entweder sukzessive durchgeführt werden, wobei die Mischzone verschieden von dem Austauscher ist, in dem die Wärme nach außen geliefert wird, oder Gleichzeitig, so daß die Mischung in einen Kolben, der mit einem Abkühlungsaustauscher ausgerüstet ist, eingebracht wird.

Die Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Fig. 1C, 2 und 3 dargestellt. Die Beispiele 1 und 2 stellen die Erfindung dar. Zu Zwecken der Vereinfachung werden die Fig. 2 und 3 in Beziehung zu den Beispielen 1 und 2 beschrieben, aber ihre Bedeutung bleibt allgemein und darf nicht auf die in den genannten Beispielen genau bezeichneten Werte beschränkt werden.

Beispiel 1

Das Beispiel ist in der Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich um eine Vorrichtung, die nach dem Prinzip arbeitet, das in der FR-PS 23 21 098 beschrieben ist und das gemäß der Technik der vorliegenden Erfindung modifiziert ist. Die Austreibung wird in der Scheibensäule (C₂), die 13 Scheiben beinhaltet, verwirklicht. Durch die Leitung 12 tritt ein Durchsatz von 11 360 K Mol/h einer Lösung von Ammoniak in Wasser, die 24,5% Ammoniak Molenbruch enthält. Diese Lösung wird in Gegenwart eines Flusses von normalem Pentandampf desorbiert. Der Durchsatz an Dampf, der durch die Leitung 22 eintritt, beträgt 1913 K Mol und seine Zusammensetzung in Molenbrüchen ist wie folgt:

NH₃36,2% H₂O14,8% nC₅49,0%

Der Druck im oberen Ende der Säule beträgt 7,9 bar.

Am Boden der Kolonne entnimmt man mittels der Pumpe (P 3) über die Leitung 21 einen Durchsatz von 10 544 K Mo/h der Lösung, die man in Gegenwart eines Kohlenwasserstoffes in dem Austauscher (E 104) verdampft, wobei man 18,7 × 10⁶ J/sec auf eine äußere Flüssigkeit überträgt, die in den Austauscher (E 104) bei 100°C eintritt und den Austauscher (E 104) bei 95°C verläßt. (Es handelt sich bei der Flüssigkeit B um die allgemeine Definition).

Bevor die ammoniakalische Lösung in die Säule (C 2) eintritt, wird sie in dem Austauscher (E 106) von 97°C auf 81°C abgekühlt. Die entsprechende Wärme wird dem Fluß eines Rück-Kreislaufes übertragen, der mit Hilfe der Pumpe (P 1) unter der 7. Scheibe von oben dem Oberteil entnommen wird und der somit der Beheizung der Säule (C 2) dient.

Oben an der Kolonne (C 2) entnimmt man über die Leitung 13 einen Fluß von 2730 K Mol/h Dampf, dessen Zusammensetzung an Molenbrüchen wie folgt ist:

NH₃59,7% H₂O 6,0% nC₅34,3%

Dieser Dampf tritt bei einer Temperatur von 71°C aus. Er wird in den Austauscher (E 105) geleitet, in dem er durch Wärmeaustausch mit einem Durchsatz von 937 K Mol/h von flüssigem Pentan (Leitung 20) abgekühlt wird, das mittels der Pumpe (P 4) dem Tank (B 2) entnommen wird. Am Ausgang des Austauschers (E 105) (Leitung 14) beträgt die Temperatur 59°C. Der Flüssig-Dampf-Strom, der durch die Leitung 14 austritt, wird mit einem Durchsatz von 9568 K Mol/h von Lösung in flüssiger Phase gemischt, die über den Waschbehälter (B 1) entnommen wird und die über die Leitungen 15 und 16 ankommt. Die Flüssig-Dampf-Mischung, die somit erhalten wird (Leitung 17), wird vollständig kondensiert, wobei die Kondensationswärmen in dem Gegenstrom-Austauscher (E 107) abgegeben werden. In diesem Austauscher wird das Gemisch abgekühlt mit Hilfe eines Durchsatzes von 1915 m³/h Wasser, das mit 20°C eintritt und mit 30°C austritt. Am Ausgang des Austauschers (E 107) (Leitung 18) befindet sich die Mischung auf einer Temperatur von 30°C. Man fängt in dem Behälter (B 2) eine Kohlenwasserstoffphase auf, die durch die Pumpe (P 4) aufgenommen und dem Austauscher (E 104) wieder zugeleitet wird, nachdem sie den Austauscher (E 105) durchlaufen hat, und eine ammoniakalische Lösung, die 44,8% Molenbruch Ammoniak enthält und die von der Pumpe (P 5) zurückgefördert wird. Diese Lösung wird über die Leitung 19 durch den Austauscher (E 108) hindurchgeschickt, in dem sie sich infolge Wärmeaustausches mit dem Durchsatz der der Lösung wieder aufheizt, die durch die Leitung 15 ankommt, und mit einer Temperatur von 45°C austritt. Am Ausgang des Austauschers (E 108) wird die Lösung durch die Leitung 10 dem Austauscher (E 101) zugeführt. In dem Austauscher (E 101) erfährt die Lösung eine partielle Verdampfung, im Verlauf derer man 15,1 × 10⁶ J/sec zurückgewinnt. Die Lösung erreicht den Austauscher (E 101) mit 68°C und verläßt ihn mit 90°C. Die äußere Flüssigkeit, welche die Wärmen zur Verwertung zuführt, kommt mit 100°C an und tritt mit 95°C aus. (Es handelt sich um die Flüssigkeit C der allgemeinen Definition). Insgesamt hat man somit 33,8 × 10⁶ J/sec zurückgewonnen. Die flüssigen Fraktionen und der Dampf, die am Ausgang des Austauschers (E 101) erhalten werden, werden in dem Behälter (B 1) aufgefangen.

Die flüssige Fraktion, die an dem Ausgang des Austauschers (E 104) nicht verdampft wurde und die über die Leitung 22 b bei dem Seperator 22 c ankommt, enthält 12% Ammoniak. Sie wird von der Pumpe (P 2) über die Leitung 22 a übernommen und über die Leitung 7 in den Austauscher (E 102) gefördert, von wo sie mit einer Temperatur von 101°C austritt. Der Durchsatz der Lösung, die den Austauscher (E 102) verläßt, wird in zwei Fraktionen geteilt. Eine erste Fraktion, die einen Durchsatz von 3011 K Mol/h darstellt, wird der Scheibensäule (C 1) zugeführt. Die Säule (C 1) ist adiabatisch und beinhaltet 18 Scheiben. Sie arbeitet bei einem Druck von 7,6 bar. In der Säule (C 1) verwirklicht man einen Gegenstromkontakt zwischen der flüssigen Fraktion, die über die Leitung 1 ankommt und der Dampffraktion, die von dem Behälter (B 1) über die Leitung 9 kommt. Am Ausgang der Säule (C 1) erhält man somit eine flüssige Fraktion, die 26,4% Ammoniak enthält, die die Säule (C 1) bei einer Temperatur von 102°C verläßt. Diese flüssige Fraktion wird mit der flüssigen Fraktion vermischt, die dem Behälter (B 1) entnommen wird, indem sie über die Leitung 23 ankommt, und wird der Säule (C 2) über die Leitungen 8, 11 und 12 zugeführt.

Oben in der Säule (C 1) fängt man einen Dampf auf, der 74,5% Ammoniak enthält. Dieser Dampf (Leitung 3) wird mit der zweiten flüssigen Fraktion gemischt, die man erhält, indem man den Durchsatz an Lösung teilt, der von dem Austauscher (E 102) kommt und der als Zusatz dient. Diese flüssige Fraktion kommt über die Leitung 2 an und die so erhaltene Mischung wird über die Leitung 4 dem Austauscher (E 103) zugeführt. Am Eingang des Austauschers (E 103) (Leitung 4) befindet sich die flüssige Mischung auf einer Temperatur von 124°C. Sie verläßt ihn mit einer Temperatur von 105°C, indem sie 11,6 × 10⁶ J/sec an eine äußere Flüssigkeit (Flüssigkeit A gemäß der allgemeinen Definition) abgibt. Die Mischung, die den Austauscher (E 103) über die Leitung 5 verläßt, wird von 105°C auf 95°C in dem Austauscher (E 102f) durch Wärmeaustausch mit der flüssigen Fraktion, die über die Leitung 7 ankommt, abgekühlt. Sie verläßt ihn über die Leitung 6.

In diesem Beispiel wird der Vorteil verdeutlicht, die flüssige Fraktion, die die Austreibungszone verläßt, in zwei zu teilen. Es ist somit möglich, Wärme bei einem erhöhten Temperaturintervall zur Verfügung zu stellen, wobei dennoch in die Absorptionssäule erhebliche Dampfdurchsätze geschickt werden, und ohne daß die Notwendigkeit einer besonderen Reinigung in der Austreibungszone vorhanden ist, was einen erhöhten Wirkungsgrad erlaubt.

Beispiel 2

Das Beispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Die Desorption wird in der Scheibensäule (C 4) verwirklicht, die aus 13 Scheiben besteht. Über die Leitung 24 führt man 9068 K Mol/h einer Ammoniaklösung in Wasser, die 21,1% Molenbruch Ammoniak enthält, zu.

Die Säule (C 4) arbeitet bei einem Druck von 18,0 bar am oberen Ende und beinhaltet einen Wiederversieder, der bei einer Temperatur von 180°C arbeitet und den man nit 16,808 × 10⁶ J/sec beliefert. Am Boden der Säule fängt man eine Lösung auf, die 10% Molenbruch Ammoniak enthält. Oben fängt man die die Leitung 26 eine Dampffraktion auf, die 79,2% Ammoniak bei einer Temperatur von 147°C enthält. Diese Dampffraktion wird mit dem Flüssigdurchsatz vermischt, der über die Leitung 27 ankommt, und die Mischung Flüssig-Dampf wird über die Leitung 28 dem Austauscher (E 114) zugeführt. Die Mischung verläßt den Austauscher (E 114) vollständig kondensiert bei einer Temperatur von 90°C. Die Kondensationswärme, die 11,048 × 10⁶ J/sec darstellt, erlaubt einen Wasserdurchsatz zu heizen, der in den Austauscher (E 114) mit einer Temperatur von 70°C eintritt und den Austauscher (E 114) mit einer Temperatur von 90°C verläßt (Flüssigkeit B der allgemeinen Definition). Die kondensierte Lösung wird über die Leitung 29 dem Austauscher (E 115) zugeführt, von wo sie über die Leitung 30 bei einer Temperatur von 75°C austritt. Sie wird danach in dem Austauscher (E 116) unterkühlt, von wo sie bei einer Temperatur von 58°C über die Leitung 31 austritt. Durch die Leitung 32 schickt man einen Durchsatz an Lösung von 910 K Mol/sec über das Reduzierventil (V 1). Nach der Entspannung in dem Ventil (V 1) wird diese Lösung dem Austauscher (E 116) zugeführt, in dem sie verdampft wird und somit die Unterkühlung der Lösung, die über die Leitung 30 ankommt, gewährleistet. Der Dampf, der erhalten wird, wird aus dem Austauscher (E 116) über die Leitung 34 abgezogen. Über die Leitung 33 überträgt man 3398 K Mol/h der in dem Austauscher (E 116) unterkühlten Lösung durch das Reduzierventil (V 2), in dem diese Lösung bis auf einen Druck von 4,86 bar entspannt wird. In dem Austauscher (E 117) wird die erhaltene Lösung teilweise verdampft, wobei die Verdampfungswärme, die 6,448 × 10⁶ J/sec darstellt, einem heißen Wasserstrom entnommen wird, der bei 70°C ankommt und bei 50°C austritt (Flüssigkeit C der allgemeinen Definition). Die Mischung Flüssig-Dampf wird über die Leitung 35 dem Behälter (B 4) zugeführt, in dem die flüssige Phase und der Dampf getrennt werden. Die Dampfphase wird mit der Dampffraktion, die über die Leitung 34 ankommt, gemischt, und die so erhaltene Dampfphase, die 95,9% Ammoniak enthält, und die einen Durchsatz von 1066 K Mol/h darstellt, wird über die Leitung 36 der Säule (C 3) zugeführt. Die flüssige Phase enthält 33,5% Ammoniak und durch die Pumpe (P 5) entnimmt man einen Durchsatz von 2555 K Mol/h, der über die Leitung 37 dem Austauscher (E 115) zugeführt und dann mit dem Dampf, der die Säule (C 4) verläßt, gemischt wird. Über die Leitung 46 führt man die übrigbleibende flüssige Fraktion dem Behälter (B 3) zu.

Die am Boden der Säule (C 4) aufgefangene Lösung wird über die Leitung 25 dem Austauscher (E 113) zugeführt, von wo sie über die Leitung 38 bei einer Temperatur von 170°C austritt. Die entsprechende Wärme, die 1,537 × 10⁶ J/sec darstellt, wird einem Rückflußstrom übertragen, der durch die Pumpe (P 6) unter der 8. Scheibe von oben entnommen wird, und dient somit der Beheizung der Säule (C 4). Die Lösung, die den Austauscher (E 113) über die Leitung 38 verläßt, wird dem Austauscher (E 112) zugeleitet, von wo sie über die Leitung 39 mit einer Temperatur von 110°C austritt. Der Durchsatz, der durch die Leitung 39 ankommt, wird in zwei Teile geteilt. Eine erste Fraktion, die einen Durchsatz von 2596 K Mol/h darstellt, wird über die Leitung 40 dem Ventil (V 4) zugeleitet, in dem sie entspannt und anschließend der Scheibensäule (C 3) zugeführt wird. Die Scheibensäule (C 3) ist adiabatisch, beinhaltet 13 Scheiben und arbeitet bei einem Druck von 4,25 bar am Boden. In dieser Säule erzeugt man einen Gegenstromkontakt zwischen der flüssigen Fraktion, die aus dem Ventil (V 4) kommt, und dem Dampf, der über die Leitung 36 eingeführt wird. Am Kopf der Säule (C 3) fängt man über die Leitung 41 eine Dampffraktion auf, die 64,7% Ammoniak bei 111,3°C enthält, und die einen Durchsatz von 1071 K Mol/h darstellt. Die Fraktion des Durchsatzes, die über die Leitung 39 ankommt und die nicht der Säule (C 3) zugeführt wird, stellt einen Durchsatz von 5019 K Mol/h dar. Sie wird über die Leitung 42 mit dem Ventil (V 3), in dem sie entspannt und danach mit dem Dampf, der durch die Leitung 41 ankommt, geschickt. Die Mischung Flüssig-Dampf, die somit erhalten wurde, wird über die Leitung 43 dem Austauscher (E 109) zugeführt, in dem sie bei einer Temperatur von 112°C eintritt und von wo sie völlig kondensiert bei einer Temperatur von 90°C austritt. Die Kondensationswärme, die 12,208 × 10⁶ J/sec darstellt, wird einem Wasserdurchsatz zugeführt, der mit 70°C ankommt und mit 90°C austritt (Flüssigkeit A nach der allgemeinen Definition). Die kondensierte Mischung (Leitung 44) wird in dem Tank (B 5) aufgefangen, von wo sie durch die Pumpe (P 8) aufgenommen und dem Behälter (B 3) zugeführt wird.

Am Boden der Säule (C 3) fängt man über die Leitung 45 eine flüssige Fraktion auf, die 22,7% Ammoniak enthält bei einer Temperatur von 87,2°C, und die einen Durchsatz von 2590 K Mol/h darstellt. Die Mischung der flüssigen Fraktionen, die in dem Behälter (B 3) erhalten wird, wird durch die Pumpe (P 7) dem Austauscher (E 112) zugeführt und dann in die Säule (C 4) zurückgeführt.

Die Beispiele 1 und 2 beschreiben jeweils eine Möglichkeit zur besonderen Verwirklichung der Erfindung. Im Beispiel 1, das den Fall 2 betrifft, wird die Austreibung in Gegenwart einer Kohlenwasserstoff-Dampf-Phase durchgeführt, die kondensiert und zurückgeführt wird gemäß einer Vorrichtung, die in der FR-PS 23 21 098 beschrieben ist. In jedem Falle sind diese Austreibungsverfahren nur beispielhaft angegeben, und andere Anordnungen, die die Regeln des Standes der Technik fortführen, können in Betracht gezogen werden, wobei die Vervollkommnung gemäß der Erfindung spezifisch von der Art ist, daß sie auf der Absorptionsstufe durchgeführt wird.

Claims

1. Verfahren zur Vervollkommnung der Absorption und des Wärmetausches in einem Zyklus, der die Absorption eines lösbaren Stoffes in einem Lösungsmittel und die Austreibung des vorgenannten lösbaren Stoffes aus der erhaltenen Lösung beinhaltet, der in Wärmepumpen und Kältemaschinen auf Absorptionsbasis des Types brachbar ist,
der eine Absorption durch Kontakt zwischen einer an lösbarem Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) armen Lösungsmittelphase und einem dampfförmigen Arbeitsmittel mit der Abgabe nicht absorbierten Arbeitsmitteldampfes beinhaltet,
der lösbaren Stoff einschließt, der bei der Absorption übriggeblieben ist, und mit der Rückgewinnung von Wärme aus dem vorgenannten nicht absorbierten Arbeitsmitteldampf, wobei diese Rückgewinnung von einer wenigstens teilweisen Kondensation des vorgenannten Arbeitsmitteldampfes im Verlauf seiner Abkühlung begleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) nur ein Teil L ₁ der an lösbarem Stoff armen Lösungsmittelphase, die von der Austreibungszone kommt, einer Kontaktzone der Absorption zugeführt wird, wobei
b) ein anderer Teil L₂ dieser Lösungsmittelphase dem nicht absorbierten Arbeitsmitteldampf des vorgenannten Kontakts zugefügt wird, und
c) in Mischung mit diesem letzteren der Abkühlung unterworfen wird, die die vorgenannte wenigstens teilweise Kondensation des vorgenannten nicht absorbierten Arbeitsmitteldampfes hervorruft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lösbare Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) Ammoniak ist und das Lösungsmittel Wasser.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lösbare Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) ein Kohlenwasserstoff ist und das Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lösbare Stoff (Kälte- bzw. Arbeitsmittel) ein chlorierter und/oder fluorierter Kohlenwasserstoff ist und das Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktion der Lösungsmittelphase (L₂) 5 bis 90% der gesamten Lösungsmittelphase darstellt, wobei der Rest aus der Lösungsmittelphase (L₁) besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Absorptionszone zwischen einschließlich 1 und 50 bar beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme, die in der Absorptionszone erzeugt wurde, in einem Temperaturintervall zwischen 20 und 150°C geliefert wird.